Inovação, popularização e aplicação da tecnologia de produção de energia de hidrogênio — um estudo de caso da Ally Hi-Tech
Link original:https://mp.weixin.qq.com/s/--dP1UU_LS4zg3ELdHr-Sw
Nota do editor: Este é um artigo publicado originalmente pela conta oficial do WeChat: China Thinktank
Em 23 de março, a Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma e a Administração Nacional de Energia da China publicaram conjuntamente o plano de médio e longo prazo para o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio (2021-2035) (doravante denominado plano), que definiu o atributo energético do hidrogênio e propôs que a energia de hidrogênio seja parte integrante do futuro sistema energético nacional e a direção-chave de novas indústrias estratégicas. Veículos movidos a células de combustível são o principal campo de aplicação de energia de hidrogênio e o avanço do desenvolvimento industrial na China.
Em 2021, impulsionados pela política nacional de demonstração e aplicação de veículos movidos a células de combustível, as cinco aglomerações urbanas de Pequim, Tianjin, Hebei, Xangai, Guangdong, Hebei e Henan foram lançadas sucessivamente, a demonstração e aplicação em larga escala de 10.000 veículos movidos a células de combustível começaram a ser lançadas, e o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio impulsionado pela demonstração e aplicação de veículos movidos a células de combustível foi colocado em prática.
Ao mesmo tempo, também foram feitos avanços na aplicação e exploração da energia do hidrogênio em áreas não relacionadas ao transporte, como siderurgia, indústria química e construção. No futuro, aplicações diversificadas e multicenários da energia do hidrogênio gerarão uma grande demanda por hidrogênio. De acordo com a previsão da Aliança Chinesa de Energia do Hidrogênio, até 2030, a demanda chinesa por hidrogênio atingirá 35 milhões de toneladas, e a energia do hidrogênio representará pelo menos 5% do sistema de energia terminal da China. Até 2050, a demanda por hidrogênio será próxima a 60 milhões de toneladas, a energia do hidrogênio representará mais de 10% do sistema de energia terminal da China, e o valor da produção anual da cadeia industrial atingirá 12 trilhões de yuans.
Do ponto de vista do desenvolvimento industrial, a indústria de energia de hidrogênio da China ainda está em estágio inicial de desenvolvimento. No processo de aplicação, demonstração e promoção da energia de hidrogênio, a oferta insuficiente e o alto custo do hidrogênio para energia sempre foram um problema complexo que restringiu o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio da China. Como elo central do fornecimento de hidrogênio, os problemas do alto preço à saída da fábrica e dos altos custos de armazenamento e transporte do hidrogênio veicular ainda são proeminentes.
Portanto, a China precisa urgentemente acelerar a inovação, a popularização e a aplicação da tecnologia de produção de hidrogênio de baixo custo, melhorar a economia da aplicação de demonstração reduzindo o custo do fornecimento de energia de hidrogênio, apoiar a aplicação de demonstração em larga escala de veículos com células de combustível e, então, impulsionar o desenvolvimento de toda a indústria de energia de hidrogênio.
O alto preço do hidrogênio é um problema proeminente no desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio da China
A China é um grande país produtor de hidrogênio. A produção de hidrogênio é distribuída em petroquímica, química, coqueria e outras indústrias. A maior parte do hidrogênio produzido é usada como produtos intermediários para refino de petróleo, amônia sintética, metanol e outros produtos químicos. De acordo com as estatísticas da China Hydrogen Energy Alliance, a produção atual de hidrogênio na China é de cerca de 33 milhões de toneladas, principalmente de carvão, gás natural e outras energias fósseis e purificação de gás de subprodutos industriais. Entre eles, a produção de hidrogênio a partir do carvão é de 21,34 milhões de toneladas, representando 63,5%. Seguido pela produção de hidrogênio de subprodutos industriais e hidrogênio de gás natural, com produção de 7,08 milhões de toneladas e 4,6 milhões de toneladas, respectivamente. A produção de hidrogênio por eletrólise da água é relativamente pequena, cerca de 500.000 toneladas.
Embora o processo de produção industrial de hidrogênio esteja maduro, a cadeia industrial esteja completa e a aquisição seja relativamente conveniente, o fornecimento de hidrogênio para energia ainda enfrenta grandes desafios. Os custos mais altos da matéria-prima e do transporte para a produção de hidrogênio levam a um preço de fornecimento terminal mais alto. Para alcançar a popularização e a aplicação em larga escala da tecnologia de energia de hidrogênio, a chave é romper o gargalo dos altos custos de aquisição e transporte de hidrogênio. Entre os métodos de produção de hidrogênio existentes, o custo da produção de hidrogênio a partir do carvão é baixo, mas o nível de emissão de carbono é alto. O custo do consumo de energia da produção de hidrogênio por eletrólise da água em grandes indústrias é alto.
Mesmo com baixo consumo de energia, o custo de produção de hidrogênio é superior a 20 yuans/kg. O baixo custo e o baixo nível de emissão de carbono da produção de hidrogênio a partir do abandono de energia renovável são uma direção importante para a obtenção de hidrogênio no futuro. Atualmente, a tecnologia está gradualmente madura, mas o local de aquisição é relativamente remoto, o custo de transporte é muito alto e não há cenário de promoção e aplicação. Da perspectiva da composição do custo do hidrogênio, 30 a 45% do preço do hidrogênio energético são o custo do transporte e abastecimento de hidrogênio. A tecnologia de transporte de hidrogênio existente, baseada em hidrogênio gasoso de alta pressão, tem menor volume de transporte por veículo único, baixo valor econômico para o transporte de longa distância e as tecnologias de armazenamento e transporte em estado sólido e hidrogênio líquido não estão maduras. A terceirização do hidrogênio gasoso em postos de abastecimento de hidrogênio ainda é a principal via.
Na especificação de gestão atual, o hidrogênio ainda é listado como gerenciamento de produtos químicos perigosos. A produção industrial de hidrogênio em larga escala precisa entrar no parque da indústria química. A produção de hidrogênio em larga escala não atende à demanda por hidrogênio para veículos descentralizados, resultando em altos preços do hidrogênio. Uma tecnologia de produção e reabastecimento de hidrogênio altamente integrada é urgentemente necessária para alcançar um avanço. O nível de preço da produção de hidrogênio a partir do gás natural é razoável, o que pode garantir um fornecimento estável e em larga escala. Portanto, em áreas com gás natural relativamente abundante, a produção integrada de hidrogênio e a estação de reabastecimento com base em gás natural são uma opção viável de fornecimento de hidrogênio e um caminho realista para promover a estação de reabastecimento de hidrogênio para reduzir o custo e resolver o difícil problema de reabastecimento em algumas áreas. Atualmente, existem cerca de 237 estações integradas de produção de hidrogênio montadas em skid no mundo, representando cerca de 1/3 do número total de estações de reabastecimento de hidrogênio estrangeiras. Entre elas, Japão, Europa, América do Norte e outras regiões adotam amplamente o modo de operação de estação integrada de produção e reabastecimento de hidrogênio na estação. Em termos de cenário interno, Foshan, Weifang, Datong, Zhangjiakou e outros locais começaram a explorar a construção e operação piloto de estações integradas de produção e reabastecimento de hidrogênio. Prevê-se que, após o avanço das políticas e regulamentações de gestão e produção de hidrogênio, a estação integrada de produção e reabastecimento de hidrogênio se tornará a escolha realista para a operação comercial de estações de reabastecimento de hidrogênio.
Experiência em Inovação, Popularização e Aplicação da Tecnologia de Produção de Hidrogênio da Ally Hi-Tech
Como empresa líder na área de produção de hidrogênio na China, a Ally Hi-Tech concentra-se na pesquisa e desenvolvimento de novas soluções energéticas e tecnologias avançadas de produção de hidrogênio desde sua fundação há mais de 20 anos. Nas áreas de tecnologia de produção de hidrogênio a partir de gás natural em pequena escala, tecnologia de produção de hidrogênio por oxidação catalítica de metanol, tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água em alta temperatura, tecnologia de produção de hidrogênio por decomposição de amônia, tecnologia de amônia sintética em pequena escala, conversor de metanol de monômero grande, sistema integrado de produção e hidrogenação de hidrogênio e tecnologia de purificação direcional de hidrogênio veicular, muitos avanços foram alcançados em campos técnicos de ponta, como os listados acima.
Continuar a promover a inovação tecnológica na produção de hidrogênio.
A Ally Hi-Tech sempre considerou a produção de hidrogênio como o cerne de seus negócios e continua a implementar inovações tecnológicas na produção de hidrogênio, como conversão de metanol, reforma de gás natural e purificação direcional de hidrogênio por PSA. Entre elas, um único conjunto de equipamentos de produção de hidrogênio para conversão de metanol, desenvolvido e projetado de forma independente pela empresa, possui capacidade de produção de hidrogênio de 20.000 Nm³/h. A pressão máxima atinge 3,3 MPa, atingindo o nível avançado internacional, com as vantagens de baixo consumo de energia, segurança e confiabilidade, processo simples, sem necessidade de supervisão, entre outras. A empresa realizou um avanço na tecnologia de produção de hidrogênio por reforma de gás natural (método SMR).
Adota-se a tecnologia de reforma por troca de calor, e a capacidade de produção de hidrogênio de um único conjunto de equipamentos é de até 30.000 Nm³/h. A pressão máxima pode chegar a 3,0 MPa, o que reduz significativamente o custo do investimento e reduz o consumo de energia do gás natural em 33%. Em termos de tecnologia de purificação direcional de hidrogênio por adsorção por oscilação de pressão (PSA), a empresa desenvolveu uma variedade de conjuntos completos de tecnologias de purificação de hidrogênio, e a capacidade de produção de hidrogênio de um único conjunto de equipamentos é de 100.000 Nm³/h. A pressão máxima é de 5,0 MPa. Possui alto grau de automação, operação simples, bom ambiente e longa vida útil. Tem sido amplamente utilizado na área de separação de gases industriais.
Figura 1: Conjunto de equipamentos de produção H2 da Ally Hi-Tech
Atenção dada ao desenvolvimento e promoção de produtos da série de energia de hidrogênio.
Ao mesmo tempo em que inova na tecnologia de produção de hidrogênio e desenvolve produtos, a Ally Hi-Tech se dedica à expansão do desenvolvimento de produtos na área de células de combustível de hidrogênio a jusante, promove ativamente a P&D e a aplicação de catalisadores, adsorventes, válvulas de controle, equipamentos modulares de pequena escala para produção de hidrogênio e sistemas de alimentação de células de combustível de longa duração, além de promover vigorosamente a tecnologia e os equipamentos de estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogênio. Em termos de promoção de produtos, a qualificação profissional da Ally Hi-Tech em projetos de engenharia é abrangente. A empresa está comprometida em fornecer produtos e serviços de soluções completas de energia de hidrogênio, e a aplicação do produto no mercado é promovida rapidamente.
Avanços foram feitos na aplicação de equipamentos de produção de hidrogênio.
Atualmente, a Ally Hi-Tech já construiu mais de 620 conjuntos de equipamentos para produção e purificação de hidrogênio. Entre eles, a Ally Hi-Tech já promoveu mais de 300 conjuntos de equipamentos para produção de hidrogênio a partir de metanol, mais de 100 conjuntos de equipamentos para produção de hidrogênio a partir de gás natural e mais de 130 conjuntos de equipamentos para grandes projetos de PSA, além de ter realizado diversos projetos de produção de hidrogênio de âmbito nacional.
A Ally Hi-Tech cooperou com empresas renomadas no país e no exterior, como Sinopec, PetroChina, Zhongtai Chemical, Plug Power Inc. America, Air Liquid France, Linde Germany, Praxair America, Iwatani Japan, BP e assim por diante. É um dos conjuntos completos de provedores de serviços de equipamentos com o maior fornecimento na área de equipamentos de produção de hidrogênio de pequeno e médio porte do mundo. Atualmente, o equipamento de produção de hidrogênio da Ally Hi-Tech foi exportado para 16 países e regiões, como Estados Unidos, Japão, Coreia do Sul, Índia, Malásia, Filipinas, Paquistão, Mianmar, Tailândia e África do Sul. Em 2019, o equipamento integrado de produção de hidrogênio a gás natural de terceira geração da Ally Hi-Tech foi exportado para a American Plug Power Inc., que foi projetado e fabricado em total conformidade com os padrões americanos, criando um precedente para a exportação de equipamentos de produção de hidrogênio a gás natural da China para os Estados Unidos.
Figura 2. Equipamento integrado de produção e hidrogenação de hidrogênio exportado pela Ally Hi-Tech para os Estados Unidos
Construção do primeiro lote de estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio.
Considerando os problemas práticos das fontes instáveis e os altos preços do hidrogênio para energia, a Ally High-Tech está comprometida em promover a aplicação de tecnologias de produção de hidrogênio altamente integradas e, utilizando o sistema de fornecimento de metanol já existente, a rede de gasodutos de gás natural e os postos de abastecimento de GNC e GNL, reconstruir e expandir o posto integrado de produção e reabastecimento de hidrogênio. Em setembro de 2021, a primeira estação nacional integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio a gás natural sob o contrato geral da Ally Hi-Tech entrou em operação na estação de hidrogenação de Foshan Gas Nanzhuang.
A estação foi projetada com um conjunto de unidades de produção de hidrogênio por reforma de gás natural com capacidade de 1000 kg/dia e um conjunto de unidades de produção de hidrogênio por eletrólise de água com capacidade de 100 kg/dia, com capacidade externa de hidrogenação de 1000 kg/dia. Trata-se de uma típica estação de hidrogenação integrada de "produção de hidrogênio + compressão + armazenamento + enchimento". Ela é pioneira na aplicação de catalisadores de ampla variação de temperatura e tecnologia de copurificação direcional ecologicamente correta na indústria, o que melhora a eficiência da produção de hidrogênio em 3% e reduz efetivamente o consumo de energia. A estação possui alta integração, pequena área construída e equipamentos de produção de hidrogênio altamente integrados.
A produção de hidrogênio na estação reduz os links de transporte de hidrogênio e o custo de armazenamento e transporte de hidrogênio, o que reduz diretamente o custo do consumo de hidrogênio. A estação reservou uma interface externa, que pode abastecer reboques de tubo longo e servir como estação-mãe para fornecer hidrogênio às estações de hidrogenação vizinhas, formando uma subestação-mãe integrada de hidrogenação regional. Além disso, esta estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio também pode ser reconstruída e expandida com base no sistema de distribuição de metanol existente, na rede de gasodutos de gás natural e em outras instalações, bem como em postos de gasolina e postos de abastecimento de GNC e GNL, o que é fácil de promover e implementar.
Figura 3 Estação integrada de produção e hidrogenação de hidrogênio em Nanzhuang, Foshan, Guangdong
Lidera ativamente a inovação, a promoção e a aplicação da indústria, além de intercâmbios e cooperações internacionais.
Como uma importante empresa de alta tecnologia do Programa Nacional da Tocha, uma empresa de demonstração da nova economia na província de Sichuan e uma nova empresa especializada e especial na província de Sichuan, a Ally Hi-Tech lidera ativamente a inovação industrial e promove o intercâmbio e a cooperação internacional. Desde 2005, a Ally Hi-Tech tem fornecido sucessivamente tecnologia e equipamentos de produção de hidrogênio para os principais 863 projetos nacionais de células de combustível – a estação de reabastecimento de hidrogênio Anting de Xangai, a estação de reabastecimento de hidrogênio das Olimpíadas de Pequim e a estação de reabastecimento de hidrogênio da Exposição Mundial de Xangai – e fornecido todos os projetos de estação de produção de hidrogênio do centro de lançamento espacial da China com altos padrões.
Como membro do Comitê Nacional de Padronização de Energia de Hidrogênio, a Ally Hi-Tech participou ativamente da construção de um sistema de padrões de energia de hidrogênio no país e no exterior, liderou a elaboração de um padrão nacional de energia de hidrogênio e participou da formulação de sete padrões nacionais e um padrão internacional. Ao mesmo tempo, a Ally Hi-Tech promoveu ativamente o intercâmbio e a cooperação internacional, estabeleceu a Chengchuan Technology Co., Ltd. no Japão, desenvolveu uma nova geração de tecnologia de produção de hidrogênio, tecnologia de cogeração SOFC e produtos relacionados, e realizou cooperação com empresas nos Estados Unidos, Alemanha e Japão nas áreas de nova tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água e tecnologia de amônia sintética em pequena escala. Com 45 patentes da China, Estados Unidos e União Europeia, a Ally Hi-Tech é uma empresa tipicamente baseada em tecnologia e voltada para a exportação.
Sugestão de política
De acordo com a análise acima, com base na inovação da tecnologia de produção de hidrogênio, a Ally Hi-Tech fez avanços no desenvolvimento de equipamentos de produção de hidrogênio, na promoção e aplicação de equipamentos de produção de hidrogênio, na construção e operação de estações integradas de produção e reabastecimento de hidrogênio, o que é de grande importância para a inovação tecnológica independente da China em energia de hidrogênio e para a redução do custo do consumo de energia de hidrogênio. Para garantir e melhorar o fornecimento de energia de hidrogênio, acelerar a construção de uma rede de fornecimento de energia de hidrogênio segura, estável e eficiente e construir um sistema diversificado de produção de hidrogênio limpo, de baixo carbono e baixo custo, a China precisa fortalecer a inovação tecnológica de produção de hidrogênio e o desenvolvimento de produtos, romper as restrições de políticas e regulamentações e incentivar novos equipamentos e modelos com potencial de mercado a serem testados primeiro. Ao aprimorar ainda mais as políticas de apoio e otimizar o ambiente industrial, ajudaremos a indústria de energia de hidrogênio da China a se desenvolver com alta qualidade e apoiaremos fortemente a transformação verde da energia.
Melhorar o sistema de políticas da indústria de energia de hidrogênio.
Atualmente, o "Posicionamento Estratégico e as Políticas de Apoio à Indústria de Energia de Hidrogênio" foram divulgados, mas a direção específica do desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio ainda não foi definida. Para superar os obstáculos institucionais e os gargalos políticos do desenvolvimento industrial, a China precisa fortalecer a inovação política, formular normas perfeitas de gestão de energia de hidrogênio, esclarecer os processos e as instituições de gestão de preparação, armazenamento, transporte e envase, e implementar as responsabilidades do departamento responsável pela supervisão de segurança. Aderir ao modelo de aplicação de demonstração que impulsiona o desenvolvimento industrial e promover de forma abrangente o desenvolvimento diversificado de demonstração de energia de hidrogênio em transporte, armazenamento de energia, energia distribuída, etc.
Construir um sistema de fornecimento de energia de hidrogênio de acordo com as condições locais.
Os governos locais devem considerar de forma abrangente a capacidade de fornecimento de energia a partir de hidrogênio, a base industrial e o espaço de mercado na região, com base nas vantagens dos recursos existentes e potenciais, selecionar métodos de produção de hidrogênio adequados às condições locais, construir capacidade de garantia de fornecimento de energia a partir de hidrogênio, priorizar o uso de hidrogênio como subproduto industrial e concentrar-se no desenvolvimento da produção de hidrogênio a partir de energia renovável. Incentivar as regiões qualificadas a cooperar por meio de múltiplos canais para construir um sistema local de fornecimento de energia a partir de hidrogênio de baixo carbono, seguro, estável e econômico para atender à demanda de fontes de hidrogênio em larga escala.
Aumentar a inovação tecnológica dos equipamentos de produção de hidrogênio.
Focar na promoção de P&D, fabricação e aplicação industrial de equipamentos essenciais para purificação e produção de hidrogênio, e construir um sistema tecnológico de desenvolvimento de alta qualidade para produtos de equipamentos de energia de hidrogênio, contando com empresas vantajosas na cadeia industrial. Apoiar empresas líderes na área de produção de hidrogênio a assumir a liderança, estabelecer plataformas de inovação como centros de inovação industrial, centros de pesquisa em engenharia, centros de inovação tecnológica e centros de inovação em manufatura, abordar os principais problemas dos equipamentos de produção de hidrogênio, apoiar pequenas e médias empresas "especializadas e novas" a participarem da pesquisa e desenvolvimento de tecnologias comuns para equipamentos de produção de hidrogênio e cultivar um conjunto de empresas campeãs com forte capacidade independente de tecnologia principal.
Fortalecer o apoio político para a produção integrada de hidrogênio e estações de hidrogenação.
O Plano aponta que, para explorar novos modelos, como estações de hidrogênio que integrem a produção, o armazenamento e a hidrogenação de hidrogênio na estação, precisamos romper as restrições políticas à construção de estações integradas desde a raiz. Introduzir a lei nacional de energia o mais breve possível para determinar o atributo energético do hidrogênio desde o nível superior. Romper as restrições à construção de estações integradas, promover estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogênio e realizar demonstrações piloto da construção e operação de estações integradas em áreas economicamente desenvolvidas com ricos recursos de gás natural. Fornecer subsídios financeiros para a construção e operação de estações integradas que atendam aos requisitos de economia de preços e padrões de emissão de carbono, apoiar empresas líderes relevantes na solicitação de empresas nacionais "especializadas e novas empresas especiais" e aprimorar as especificações técnicas e os padrões de segurança das estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogênio.
Realizar ativamente demonstrações e promoções de novos modelos de negócios.
Incentivar a inovação do modelo de negócios na forma de produção integrada de hidrogênio em estações, estações de fornecimento abrangente de energia para petróleo, hidrogênio e eletricidade, e operação coordenada de "hidrogênio, veículos e estações". Em áreas com grande número de veículos movidos a células de combustível e alta pressão no fornecimento de hidrogênio, exploraremos estações integradas para produção e hidrogenação de hidrogênio a partir de gás natural, e incentivaremos áreas com preços razoáveis de gás natural e operação de demonstração de veículos movidos a células de combustível. Em áreas com abundantes recursos eólicos e hidrelétricos e cenários de aplicação de energia de hidrogênio, construiremos estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogênio com energia renovável, expandiremos gradualmente a escala de demonstração, formaremos experiências replicáveis e popularizadas e aceleraremos a redução de carbono e de custos do hidrogênio energético.
(Autor: equipe de pesquisa da futura indústria do Centro de Consultoria de Informações Yiwei Zhiyuan de Pequim)
Horário da postagem: 29 de setembro de 2022
